孜克亞爾，李學(xué)飛，景雪暉

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830000；2.國(guó)電哈密煤電開(kāi)發(fā)有限公司，新疆哈密839000）

火電機(jī)組靈活性深度調(diào)峰的研究近兩年較為多見(jiàn)，但結(jié)合新疆地區(qū)的燃用高堿煤機(jī)組深度調(diào)峰的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，安全高效燃用高堿煤的靈活性深度調(diào)峰研究顯得日益重要。對(duì)鍋爐來(lái)說(shuō)，靈活性深度調(diào)峰的核心問(wèn)題是低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐膛的穩(wěn)燃是否可以得到保障。為研究低負(fù)荷時(shí)煤粉氣流著火和穩(wěn)燃特性，本文以新疆某330 MW機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立簡(jiǎn)化的爐膛熱量平衡模型，對(duì)低負(fù)荷下風(fēng)粉氣流的著火熱進(jìn)行定量分析，提出爐膛輸入熱量必須大于各部分索取的熱量才能保證低負(fù)荷穩(wěn)燃，該模型的計(jì)算方法具有較好的參考作用。

1 高堿煤的基本特點(diǎn)

新疆準(zhǔn)東地區(qū)是我國(guó)煤炭資源富集的區(qū)域，準(zhǔn)東地區(qū)的高堿煤是我國(guó)目前最大的整裝煤田，煤資源預(yù)測(cè)儲(chǔ)量多達(dá)3 900億噸，已探明煤炭資源儲(chǔ)量2 136億噸，具有儲(chǔ)量巨大、開(kāi)采成本低、反應(yīng)活性強(qiáng)、容易燃盡等特點(diǎn)。與我國(guó)其他已知?jiǎng)恿τ妹合啾?，由于高堿煤灰中Na2O、CaO的含量較高，由此導(dǎo)致鍋爐受熱面沾污、結(jié)渣嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了高堿煤鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]1169；最新研究表明，高堿煤在鍋爐低負(fù)荷下的結(jié)渣、沾污程度比高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)要輕，除了其灰中礦物質(zhì)的特點(diǎn)以外，高堿煤還有以下特點(diǎn)：全水分高（比如南露天礦煤的全水分為30%左右）、灰分低（Aar＜8%）、中高發(fā)熱量（18～20 MJ/kg）、低硫（St，ar＜0.6%）、收到基含氧量高（Oar為10%左右）以及干燥無(wú)灰基揮發(fā)分Vdaf為35%以上，具有易著火、較易燃盡的特點(diǎn)[2]。

2 低負(fù)荷影響穩(wěn)燃的主要因素

鍋爐運(yùn)行在低負(fù)荷時(shí)，影響煤粉氣流穩(wěn)定著火的自身因素有以下幾個(gè)方面：煤粉細(xì)度、磨出口溫度（一次風(fēng)粉溫度）、煤粉濃度。

首先，煤粉顆粒大小對(duì)著火過(guò)程有著顯著的影響，對(duì)于任何一種煤，煤粉直徑大時(shí)，升溫速率慢，但是散熱也??；煤粉直徑小時(shí)，升溫速率快，但是散熱也大。升溫速率決定著火時(shí)間，散熱速率決定熄火時(shí)間。高堿煤由于其全水分高，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分高，灰分少，其R90設(shè)定在25%左右即可滿足燃燒的要求[3]。鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，受限于中速磨煤機(jī)的最低通流風(fēng)量（通常在設(shè)計(jì)值的70%），見(jiàn)圖1。加上電廠通常不允許兩臺(tái)磨運(yùn)行，考慮到安全因素必須三臺(tái)磨運(yùn)行，故每臺(tái)磨的給煤量進(jìn)一步降低，造成磨的通風(fēng)量大而給煤量低，此時(shí)的煤粉會(huì)隨給煤量的降低、通風(fēng)量偏大而變粗，R90超過(guò)原設(shè)定值[4]，故需對(duì)煤粉細(xì)度進(jìn)行調(diào)整，提高磨的加載力，適當(dāng)降低磨的通風(fēng)量，維持合理煤粉細(xì)度。

圖1 磨煤機(jī)的通風(fēng)量和給煤量

其次，溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度有很大影響，可用阿累尼烏斯定律表示，為使某一化學(xué)反應(yīng)能夠進(jìn)行，分子所需的最低能量稱為活化能，用E表示?；罨蹺是反應(yīng)物質(zhì)反應(yīng)活性的一種特效，活化能可以理解為使分子能夠破壞反應(yīng)分子化學(xué)鍵所必須消耗的能量，也就是發(fā)生反應(yīng)所需要的能量，阿累尼烏斯定律說(shuō)明了k隨著溫度變化的關(guān)系[5]：

式中：k0是頻率因子；E是活化能；R是通用氣體常數(shù)；T熱力學(xué)溫度，K。

溫度一定，活化能越大，活化分子數(shù)就越少，化學(xué)反應(yīng)速度就越慢；活化能越小，化學(xué)反應(yīng)速度就越快。在相同條件下，不同燃料的焦炭的燃燒反應(yīng)，其活化能是不同的，高揮發(fā)分的煤活化能較小，表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象就是易燃；低揮發(fā)分的無(wú)煙煤活化能較大，所以較難著火。故，想要提高燃燒速度（化學(xué)反應(yīng)速度），可以通過(guò)提高反應(yīng)物的溫度。提高磨煤機(jī)出口溫度，能夠有效提高一次風(fēng)粉的初始熱量，減少需要在爐膛的吸收的熱量，縮短著火時(shí)間。

再次，風(fēng)粉濃度是影響煤粉著火最大因素之一[6]。一次風(fēng)風(fēng)粉濃度越低，散熱損失就越大，當(dāng)散熱損失大于煤粉燃燒所釋放熱量的時(shí)候，煤粉則無(wú)法著火；反之，當(dāng)煤粉濃度過(guò)高時(shí)，煤粉會(huì)由于氧量供應(yīng)不足而推遲至與二次風(fēng)混合后再著火燃燒，上述已經(jīng)分析到，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)磨的給煤量逐步降低，而磨的最低通風(fēng)量又有所限制，低負(fù)荷時(shí)風(fēng)粉濃度會(huì)降低。

3 煤粉氣流著火穩(wěn)燃特性

風(fēng)粉氣流噴射入爐膛后，受到回流煙氣和爐膛輻射的加熱，氣流中的水分快速蒸發(fā)，揮發(fā)分不斷析出并燃燒，達(dá)到焦炭顆粒最小著火溫度后，風(fēng)粉氣流中的顆粒開(kāi)始著火，也有研究認(rèn)為揮發(fā)分的析出、燃燒是與焦炭顆粒受熱著火同時(shí)進(jìn)行的，但不管如何，風(fēng)粉氣流的著火需要爐膛提供最小的著火熱，否則著火不會(huì)發(fā)生；隨后焦炭顆粒充分燃燒釋放熱量，這些熱量絕大多數(shù)通過(guò)輻射形式傳遞給水冷壁，最終由煙氣攜帶部分余熱帶出爐膛，帶出的熱量多少體現(xiàn)在爐膛出口煙溫的大小上。

本文的著火熱研究屬于靜態(tài)熱平衡，是鍋爐在低負(fù)荷下煤粉氣流靜態(tài)著火需要的最小熱量，動(dòng)態(tài)過(guò)程的著火時(shí)間和距離在本文不體現(xiàn)，即，必須達(dá)到風(fēng)粉氣流最小的著火熱才能實(shí)現(xiàn)著火燃燒。

3.1 著火溫度

高堿煤的著火溫度研究無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室熱重還是理論計(jì)算[7-10]都顯示其著火溫度低，易著火的特性，這些研究結(jié)論中顯示其著火溫度低于400℃，介于360～390℃。

3.2 風(fēng)粉氣流最小著火熱

本文參考郭朝令[11]提出的風(fēng)粉氣流著火熱為

式中：Qi是著火熱，kW；Bb是燃煤量，kg/s；V1為一次風(fēng)量，m3/kg，V1=r1αV0，r1是一次風(fēng)份額%、α是過(guò)量空氣系數(shù)、V0是理論空氣量，m3/kg；C0是一次風(fēng)比熱容，kJ/(kg·℃)；Cf是煤的干燥基比熱容，kJ/(kg·℃)；q4是固體不完全燃燒熱損失，%；t0是一次風(fēng)粉初溫，℃；wm是煤粉的水分，%；Wy是煤的收到基水分，%；ti是煤粉的著火溫度，℃；Cw是水蒸氣比熱容，kJ/(kg·℃)；2 152是水的汽化潛熱，kJ/kg。

表1 低負(fù)荷下各工況的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果

3.3 簡(jiǎn)化爐膛熱量平衡模型

煤粉進(jìn)入爐膛著火、燃燒，產(chǎn)生的熱量主要被以下幾個(gè)部分利用：水冷壁吸熱、頂棚過(guò)熱器和部分包墻過(guò)熱器吸熱（水平煙道的包墻過(guò)熱器不計(jì)）、分隔屏吸熱、后屏（半輻射半對(duì)流，計(jì)部分）、新的風(fēng)粉氣流著火吸熱。然后，煙氣離開(kāi)爐膛出口煙窗帶走余下的熱量。根據(jù)該思路，建立數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Qw為水冷壁吸熱量，kW；Qab為頂棚過(guò)熱器和包墻過(guò)熱器吸熱量，kW；Qf為分隔屏吸熱量，kW；Qh為后屏吸熱量，kW；Qy為煙氣從爐膛出口煙窗帶走的熱量，kW；Qi為風(fēng)粉氣流著火熱，kW；Qr為爐膛輸入熱kW。

即，爐膛的輸入熱量必須大于上述幾部分受熱面的索取熱量，由于頂棚和包墻過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器從爐膛吸熱存在一定的折扣估算，故該模型并不是等式形式，嚴(yán)格上說(shuō)，熱平衡還應(yīng)有爐膛大渣的熱損失，由于在式（2）中考慮了固體不完全燃燒損失，故式（3）不再重復(fù)考慮。

該模型的計(jì)算方法：根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和汽水流程，水冷壁的吸熱量為給水流量乘以汽包出口與省煤器出口的焓差；分隔屏吸熱量為，工質(zhì)壓力、二級(jí)減溫水入口溫度求出分隔屏出口焓，工質(zhì)壓力、一級(jí)減溫水出口溫度求出分隔屏入口焓，然后以給水流量加一級(jí)減溫水流量再乘以上述焓差得出；頂棚和包墻過(guò)熱器的吸熱量、后屏的吸熱量也以類似計(jì)算即可得出，不同之處在與，該兩組受熱面需要扣去水平煙道包墻過(guò)熱器的吸熱和后屏的對(duì)流吸熱量，只計(jì)后屏的輻射吸熱量。煙氣帶走的熱量根據(jù)熱力計(jì)算的焓溫表[12]；根據(jù)高堿煤的元素分析值，計(jì)算煙氣焓，采集機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)中的爐膛煙窗出口煙溫計(jì)算煙氣帶出爐膛的熱量；風(fēng)粉氣流的著火熱由上一節(jié)的第2式技術(shù)；爐膛輸入熱為燃料量和原煤熱值的乘積。

根據(jù)該模型，可以求出深度調(diào)峰低負(fù)荷下，爐膛提供給風(fēng)粉氣流的著火熱能否達(dá)到要求。

4 模型計(jì)算結(jié)果和分析

高堿煤的參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[1]1170，本文選擇的330 MW機(jī)組在低負(fù)荷下全燒該種高堿煤，機(jī)組的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，由于數(shù)據(jù)量較多，對(duì)低負(fù)荷下不同負(fù)荷段的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后給出平均值列入表1，這些數(shù)據(jù)作為已知數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，涉及的中間計(jì)算過(guò)程比如壓力、溫度求焓值、空氣和水蒸氣在不同溫度下的比熱容計(jì)算等由于篇幅不全部羅列，結(jié)果見(jiàn)表1后面部分。

實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組負(fù)荷從90.85 MW至140.6 MW均能正常運(yùn)行，爐膛穩(wěn)燃正常，機(jī)組運(yùn)行正常，表1的計(jì)算結(jié)果也顯示式（2）和式（3）能定量的分析爐膛熱平衡和風(fēng)粉氣流著火熱的大小，由于運(yùn)行數(shù)據(jù)是平均的結(jié)果，一些數(shù)據(jù)存在高低大小不一，故計(jì)算結(jié)果顯示多余的熱量并不是隨負(fù)荷增大而增大，比如過(guò)熱器二級(jí)減溫器出口溫度，在工況1負(fù)荷低時(shí)卻低于工況3和4的溫度，這是機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中減溫水調(diào)節(jié)的問(wèn)題，這些數(shù)據(jù)會(huì)影響最終的計(jì)算結(jié)果，故多余的熱量并不一定和負(fù)荷大小呈單調(diào)關(guān)系，但是可以說(shuō)明爐膛穩(wěn)燃和氣流著火的可以保證的，因此當(dāng)滿足式（3）中爐膛輸入熱量務(wù)必大于其他部分索取熱量時(shí)，就可以保證低負(fù)荷下?tīng)t膛的穩(wěn)燃性能。

5 結(jié)論

本文建立了簡(jiǎn)化的爐膛熱量平衡模型，對(duì)低負(fù)荷下燃用高堿煤鍋爐的煤粉氣流著火熱進(jìn)行了量化，并給出了不同低負(fù)荷下?tīng)t膛熱平衡的分配大小，認(rèn)為只要爐膛輸入熱量大于其他部分的利用熱量之和，爐膛的穩(wěn)燃就能得到保證，本文所建立的模型有一定的工程參考借鑒作用。